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CAE技术发展,使虚拟风洞在空气动力学更多应用

有限元: 2020-01-13 14:16:48 阅读数: 157 分享到:

在学术界,风洞被喻为“飞行器的摇篮”,流传着“有什么样的风洞,才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。


    何为风洞    

风洞,wind tunnel,即风洞实验室,是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备,它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

奔驰IAA概念车在进行流场显示试验


    风洞何用    

它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用,随着工业空气动力学的发展,在交通运输、房屋建筑、风能利用等领域更是不可或缺的。这种实验方法,流动条件容易控制。实验时,常将模型或实物固定在风洞中进行反复吹风,通过测控仪器和设备测量模型表面的速度、压力以及温度,继而再计算出涡量场、热流场等各种数据。

风洞的建设不仅是一项高科技产物,也是一项特别费钱的工程,全球玩的大的主要就是中美俄三国。这就是所谓的:“风洞一响,黄金万两!”


一般想做一个产品的风洞实验,计划吹风两百次。如果顺利的话,大概要用一个月。费用大概是一个月的电费 + 模型设备费 + 风洞建设费除以风洞寿命乘以 30 天 + 各种耗材 + 大型仪器设备费除以寿命乘以 30 天 + 研究生平均工资乘以人数。以上费用已经七位数了,这还只是乙方的基本成本,实际成交费用得再乘以一个黑心系数。所以说昂贵耗时的风洞试验不是一般的人玩得起的。

风洞测试也存在一些局限性,最明显的限制是尺寸,因为几乎所有模拟设计都必须按比例缩小以适合风洞模拟器内部。这可能会产生负面影响,并改变空气动力学特性,例如雷诺数。尺寸还限制了任何形式的运动,这对于评估航空航天乃至汽车设计至关重要。

虚拟风洞显示风速流线

幸运的是,CFD分析软件工具的最新发展使得通过虚拟风洞软件执行空气动力学分析成为可能。专业的流体分析CAE软件是具有预定湍流模型的通用有限元求解器,可帮助进行原型测试之前快速评估设计。

CFD仿真以评估行人水平的风力

与物理设置相反,在CAE软件虚拟风洞中,只需按一下按钮即可调整风况,虚拟风洞对于初步设计分析非常有用且具有成本效益。由于可以虚拟进行设计试验,因此可以大大降低原型设计成本。此外,在外部设计对气流的敏感性不是很关键的情况下,也可以完全消除物理风洞测试的需要。虚拟风洞有助于加快设计过程的进度,并最终帮助设计人员以经济高效的方式确定更好的设计,非常适合寻求经济高效的初步设计测试方法的制造商。

飞机起落架的CFD仿真结果

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